近期据外媒novuslight消息，德国弗里茨·哈伯研究所和马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所通过联合研究发现，激光脉冲可以让材料特性发生超快转换。未来，这一研究发现将开启全新晶体管研制的道路。

在当前的材料研究领域，尽可能提高电子技术的运算速度是核心问题，而快速计算技术的关键组件是晶体管。作为逻辑运算中的基本步骤，电路开关中的晶体管控制着电流的瞬时开、关。

为了提高对理想晶体管材料的了解，物理学家们一直在努力寻找新的方法来实现“极快开关”。现在，德国研究人员通过运用激光技术，成功研制出一种新型的超快开关。参与该研究项目的科学家，试图找到改变材料特性的最佳方式，例如使磁性金属变得没有磁性，或者改变晶体的电导率。

飞秒激光脉冲以前所未有的速度，驱动了半金属晶体中的电子跃迁（图片版权：Sam Beaulieu博士）

几十年来，控制电子排布始终是晶体管研究领域的关注焦点。但以前尝试过的各种方式，在速度方面还是没能达到理想效果。弗里茨·哈伯研究所物理化学系主任Ralph Ernstorfer表示：“我们知道诸如温度或压力变化之类的外部影响会起到一定的作用，但其过程还是要花费至少几秒钟的时间，这对于控制电流还是显得太慢。”
对于经常使用计算机和智能手机的人来说，几秒的等待时间都显得非常漫长。因此，Ralph Ernstorfer团队的任务是通过使用激光脉冲，让材料的特性发生瞬时转变。研究团队使用了弗里茨·哈伯研究所的激光脉冲设备，通过向一种半金属材料（包含了钨和碲原子）发射超短脉冲激光，成功将材料电子排列转变的时间缩短至100飞秒。

研究人员发现，晶体受到激光照射后，其内部的电子结构会迅速进行组合，这就实现了改变材料电导率的效果。团队成员Samuel Beaulieu谈到：“研究人员使用了一种新仪器记录材料特性转变的整个过程，这是一项了不起的研究成果。以往我们只对材料稳定态的电子结构有所了解，这是首次观测到材料电子结构的变化过程。”

费米面概述图

同时，研究团队还对这种新工艺方法进行了建模，从而揭示了材料特性实现瞬时转变的原因。撞击在材料上的激光脉冲，能瞬时改变材料电子相互作用的方式。因此，激光脉冲也是行业熟悉的“Lifshitz transition”（费米面拓扑相变）的原始驱动力。

费米面
费米面是最高占据能级的等能面，是当T=0时电子占据态与非占据态的分界面。一般来说，半导体和绝缘体不用费米面，而用价带顶概念。金属中的自由电子满足泡利不相容原理，其在单粒子能级上分布几率，遵循费米统计分布。

在当前的固体物理学中，对费米面的构造没有详细阐述。费米面附近的电子对金属性质有重要影响，了解和掌握费米面的构造是理解金属中电子的物理特性的根本问题。

2016年诺贝尔物理学奖三位获奖者素描像

拓扑相变
拓扑学是数学的一个分支，主要研究内容是几何形状在连续形变中所不改变的性质，研究的是“不连续”的特征。相变是指物质在外界条件发生连续变化时，从一种“相”突然变成另一种“相”的过程。日常生活中，最常见的“相”是气态、液态和固态。在一些极端条件下，比如在极高的温度或极低的温度下，会出现很多奇异的状态。

一般物质都是按照一定的规律排列的，比如冰是水分子按照网格排列起来形成的固态。物理学上，固态是一种“相”。冰加热后就变成了液态水，那是另一种“相”。这时，水分子的排列依旧是有规律的，只是发生了变化。从固态的冰到液态的水，这样的变化就可以称为“相变”。

拓扑相变就是在两个拓扑之间转变，必须结合在一起成对地应用，不能单独应用。想象一下，如果在你的浴缸里，有两个旋转方向相反的水流，但是他们同时出现。拓扑相变就是描述成对结合到分离的拓扑激发的过程。2016年，诺贝尔物理学奖的三位获得者，戴维·索利斯（David Thouless）、邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔·科斯特立茨（Michael Kosterlitz）对于物理学中拓扑理论的运用在他们做出发现的过程中发挥了关键性作用。

有关拓扑学原理的基础性研究，为“超级材料”的研发奠定了基础。比如拓扑绝缘体材料是一种边界上导电，体内绝缘体的新型量子材料。导电的边界态由于独特的物理特性，在导电过程中不会发热。如果能将拓扑绝缘体材料制成手机芯片，就有希望解决手机在充电或长时间使用时的发烫问题。电从发电厂到家庭用电的传输过程中，存在着大量损耗。如果采用超导材料或者拓扑绝缘体材料，就能大幅降损耗，实现高效节能。